基于地基短波红外波段超精细太阳光谱反演CO2的新方法研究

The hyper-spectral techniques in the SWIR band is currently used in satellite monitoring of total column of CO2 in the atmosphere in the past a few ten years, it is also a potential technique to detect the CO2 concentration in the lower atmosphere. However, it is still a challenge to validate the accuracy of satellite results. The spectral fitting method in the whole SWIR CO2 band in 1.6 and 2.10mm is used in the current retrieval algorithm, other factors and the inter-disturbance are not well considered. In this proposal, a specific radiative transfer model for quick hyper-spectral calculation will be developed. The channels used in the new retrieval method will be strictly selected and the best combination of spectral bands is used to reduce the interfering between spectral channels, and multi-factors synchronous inversion is applied further to greatly reduce the errors induced by the atmospheric water vapor, temperature profile and shift in spectral register. An optimal method by fitting the carefully selected channels, and a method based on both differential absorption and optimal estimation will be developed, these method will be used, after validate with the TCCON results, in retrievals of XCO2 with the FTS observations in China.

利用短波红外波段的超精细光谱测量来提高卫星对近地面层CO2浓度的探测能力是最近10多年来大气CO2卫星遥感的一个新的发展趋势，相应的也对卫星遥感反演算法和地面验证技术提出了难题。现有的XCO2柱总量反演方法中利用1.6mm和2.10um波段的超精细光谱进行全谱拟合，未充分考虑不同大气要素以及不同光谱通道误差间的相互影响，本课题拟建立XCO2反演所需的适用于超精细光谱模拟的快速辐射传输模式。通过严格的通道筛选和优化，并以多要素同步反演的方法有效降低谱段间相互影响，扣除其他大气参量如水汽、温度廓线、和光谱漂移等影响，建立通道优化后的最优化谱拟合反演算法和基于差分吸收理论的地基CO2反演算法，提高反演算法的计算精度和效率。利用TCCON的观测光谱检验所建立的反演算法的精度，并将验证后的算法应用于中国区域傅立叶光谱仪的观测。

利用短波红外波段的超精细光谱测量来提高卫星对近地面层CO2浓度的探测能力是最近10多年来大气CO2卫星遥感的一个新的发展趋势，相应的也对地面验证技术提出了难题。本项目基于中国碳卫星地面验证观测网络台站的算法需求，从正研模型、通道选择、反演算法和地面验证等方面对现有地基CO2反演算法进行改进。主要成果如下：1.通过建立近红外波段主要影响大气成分（CO2、H2O、CH4、O3、CO、N2O）关于地表气压、温度、波数的吸收截面数据库和主成分分析在正研模型中的应用，优化正研模型，大大提高了计算效率。2.对地基CO2反演的相关参数（太阳光谱、地表反照率、地表气压、温度、水汽、CO2廓线、气溶胶、云、仪器噪声、仪器响应函数、光谱偏移等）的敏感性进行系统梳理，优化了通道选择方案。3.搭建了基于通道对比值的类DOAS反演算法和基于最优估计的谱拟合反演算法，并利用地面观测和卫星观测结果进行了算法比对试验，对比了两种方案的优劣。4.考虑到CO2廓线的较大影响和目前CO2先验廓线缺乏的现状，联合中科院大气物理研究所开展了CO2的无人机观测，得到了农田下垫面对流层CO2的廓线形式，作为先验廓线被用于地基CO2反演，提高反演精度。